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古董宝剑的无损检测
发布:kittyll   时间:2015/8/10 15:11:37   阅读:1113 
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这是一把保存完好的铁剑,据说发掘于在西奈半岛北部,之后为一位私人收藏家所收购,该剑目前陈列于耶路撒冷以色列国家博物馆(图1)。本文的主要目的,是尝试确认该剑的真伪并对其所谓的出处进行验证,同时也对其生产方法和金属成份进行研究。该剑的类型及出产年代,我们根据那些在欧洲发掘的类似十字军剑进行对比后得到核实。而关于该剑的生产方法、地理起源以及金属属性,我们使用古代冶金学技术,结合数字化X射线成像和X射线荧光(XRF)分析技术来对其进行研究。

关于宝剑

十字军剑是十字军骑士和他们的穆斯林敌手的主要武器之一。但让人感到惊讶的是,无论是在博物馆所展示的藏品中,还是在地中海东部地区的考古发掘的藏品中,这批12、13世纪的剑在某种程度上所占的比例都是非常小的。虽然人们进行了大范围的发掘,但所发现的武器数量极为稀少,而且在发掘过程中,实际上发现的仅仅是大量铁箭,如矛头、弩机的碎片等。在多尔(Dor)海岸和阿特利特(Atlit)海岸的水下发掘中,人们发现了两把十字军剑。其中一把被一层厚厚的贝壳和沉积物所包覆,只能看出其粗略的轮廓,另外一把虽然有所腐蚀,但相对前一把来说情况则要好得多。其确切的考古和历史背景并不完全清楚,因此本文作者在尽个人最大努力的情况下,对这两把剑进行了分析检测。现在这两把剑,其中一把剑展示于纳西利姆基布兹(Kibbutz Nahsholim)的纳西利姆博物馆(Nahsholim Museum)(以色列文物局[IAA]编号94-1705),另一把展示于海法(Haifa)国家海洋博物馆(IAA 编号86-1001)。
 
图1.在西奈半岛发现的十字军铁剑的主要组成部分

文中所描述的剑是一柄锥形剑身(Blade)的双刃铁剑(Two-Edged),剑尖(Point)损毁缺失。剑身的长度为845mm(33.27 in.),宽度为26-55mm(1.02-2.17 in.),厚度为3-4mm(0.12-0.16 in.)。我们尝试对该剑的剑身进行再现,推测剑尖的形状可能是尖头的而不是宽圆形的,并且相当锋利。血沟(fuller)(沿着中心的浅槽)的长度大约为剑身的三分之二。然而,如果没有数字化X射线成像的辅助,几乎已经无法看清这个血沟了。剑柄(Hilt)较短(98mm[3.86 in.]),这样可以用单手握住握柄(Grip),显得比较灵活,这不同于13和14世纪的重剑,其本身的握柄就比较长,需要用双手才能握住。十字形护手(Cross-Guard)是一个较短的光面钢筋,圆面宽边,长度为140mm(5.51 in.),直径为10-15mm(0.39-0.59 in.)。剑柄的末端是一个平滑的八角形柄头(Pommel),长度为44mm(1.73 in.),宽度为42mm(1.65 in.),高度为35mm(1.38 in.)。由于腐蚀的影响,使得该剑的重量显著下降,当前称重得到的重量为1.06 kg(2.34 lb)。通常来说,扁宽形剑身的引进时间要追溯到使用重型铠甲之前,大约在14世纪中叶。但是,它们持续使用的时间并不长。如果一把剑本身制作精良且保护良好,其寿命是可以横跨多个世纪的。剑的尺寸和剑身形状基本可以表明其所属的时代,但其中需要注意的是剑是由当地的小作坊制造的,其形状和大小是根据使用者的需求而定制的。

英国历史学爱好者Ewart Oakeshott在其对剑的分类XII类型中,描述过一把类似的剑。这种类型的三个主要特征是:显见的锥形剑身,且具有剑尖;较短的握柄,单手即可握住;血沟的长度只占到剑身的三分之二。当然,这个类别中也存在许多变化。虽然他明确指出该类型中的许多特征在整个中世纪时期都得到了延续,但这种类型的铁剑大部分都出产于12至13世纪。在整个欧洲都能找到相似的剑,包括西班牙、丹麦、英国、意大利、德国,甚至是匈牙利。没有证据显示该剑的具体产地。马穆鲁克在地中海东部大量收购同一类型的剑(追溯到14世纪)并将其储备在埃及亚历山大港的兵工厂中。其中的一些无疑是战利品,另一些是从欧洲商人处购买得到;大多数的剑上都刻着阿拉伯语铭文。

冶金分析背景

钢铁武器一直是众多类型学和古代冶金学研究关注的重点。铁合金包含的主要成份为铁,次要成份为碳,然后再添加一些其他的成份。相对来说,在纯铁生产中,应该在大约1200℃ (2192 °F)(处于固态相)的环境下执行还原过程,从而将铁矿石转换为海绵铁,也称为直接还原铁。随后对得到的海绵铁进行锤击,去除外表的废渣。然后将其转换为碳含量小于0.1wt%的熟铁。随后在熔点温度一半的环境下执行锻接。

一把战斗用的剑,它不同于仪式用剑,其必须具备以下特性:高屈服强度、出色的断裂韧性、耐冲击性、硬度和延展性。

而为了实现这些性能,就有必要增加碳的含量。这可以通过渗碳技术和淬火加热处理来完成。将混合有木炭的粘土覆盖于剑身之上,从而增强碳的浓度。接着,在820-850℃(1508-1562°F)的环境下对剑进行加热,然后放入水或油中快速冷却。根据15世纪原始资料的说法,剑随后会浸泡在一种包含动物残体的奇特溶液中。还有一种获取预期碳浓度的方法,是通过使用仔细分层后选出的渗碳钢的薄层实现的。

检测技术

在当前的研究中,我们使用的是无损检测(NDT)古代冶金技术,通过该技术来验证剑的真实性和出处。冶金评定技术包括数字化X射线成像技术(图2)和X射线荧光分析(XRF)技术。

首先我们使用数字化X射线成像技术对剑进行检测,电压为100 kV,持续时间为0.5-5 min(图2a)。数字平板显示器是由一个硫氧化钆闪烁体和一个非晶硅阵列(a-Si)的光电二极管构成的。X射线管发出穿过目标体的光子束。目标体没有吸收的光子到达a-Si平板,然后撞击闪烁材料层,从而这些光子依次转换为可见光光子。可见光子到达光电二极管,二极管将其转换为电子,从而激活a-Si中的像素。这一过程中产生的电子数据转换数字信号,由计算机接收,然后相应的软件会将该信息转换成高质量图像。

化学分析是通过使用掌上型XRF执行的。该特定装置主要包括以下几部分:大范围内优化漂移检测器的X射线管(管电压达50 kV),80 MHz实时数字信号处理工艺,用于计算、数据存储、实时视频处理和通信的嵌入式双核处理器。照射的区域为一个直径8mm(0.32 in.)的圆,我们根据被高能量X射线连续轰击的材料所发射的次特性X射线来进行测量。XRF分析仪包含三波段的激发荧光滤光片,其主要用于优化灵敏度,并提高元素含量计算的精度。
 
图 2.铁剑的数字化X射线成像检测图像:(a)便携式平板数字化X射线成像系统的非晶硅数字面与剑的其中一段同处于晶硅面板之上;(b)剑尖损毁的剑身的数字化X射线图像处理结果显示其中央部分长期受到腐蚀。

检测结果
 
首先,剑的保存相对来说是完好的。通过数字化X射线成像,可以看到剑身内部的构造线条(图3)。阴影部分的差异表明金属的各种不同密度。当X射线穿过密度较高的固体材料时,显示的结果为白色阴影。深色阴影部分表示孔隙度和密度较小的区域,而灰色阴影表示不同程度的密度。X射线图像是各种不同因素结合得到的结果,如密度、孔隙度和氧化度。

剑的数字化X射线成像(图3和图4a)显示,柄头和十字护手是由实心同质材料构成的。这一结果得到的色调是均匀明亮的,与剑的其他部分形成鲜明对比。剑身和剑柄处显示有白色、灰色和黑色的斑点,这表明其不同的密度。此外,剑身和剑柄是一个相连接的整体,这也可以从其类似的宏观结构中看到(图4b,红色箭头)。血沟延伸至剑柄。数字化X射线成像的三维曲面揭示了血沟的形态,这是因为血沟相较于剑的其他部分,密度似乎更低(图3d)。如果没有数字化X射线成像技术,该血沟是很难鉴别的,因为氧化降解几乎填满且覆盖了血沟。常见的铁氧化物密度约为4.9~5.2 g/cm3 (0.18~1.9 lb/in.3),而纯铁的密度为7.8 g/cm3。因此,有腐蚀、氧化或孔隙的地方,显示为较深的阴影色调。
 
图 3.我们所观察的这把铁剑总长为845mm(33.27 in.):(a)铁剑血沟的预估区域;(b) 对整个铁剑的数字化X射线成像显示出其血沟区域;(c) 数字化X射线图像处理结果显示铁剑长期受到腐蚀; (d) 剑身主要部分的3D曲面射线图像,显示出其血沟的形态。

剑身上的斑点(图2b和图4)是腐蚀和氧化的产物。剑身必须要加固;因此,剑身必须进行碳化,然后进行热处理,以获得最佳的力学性能。我们都知道这些方法会降低材料在大气条件下的环境耐蚀性。但与此相反的,柄头和十字护手则不需要类似于剑身的强度,因此我们有理由认为它们是由熟铁制成的。熟铁本身碳含量就很低,且没有经过热处理,从而其耐腐蚀性就得到了提高。
 
图 4.铁剑的数字化X射线检测,图a、b为其不同的锻接部位: (a) 八角剑柄和十字护手的俯视图;(b)十字护手和剑身的俯视图。

数字化X射线图像清楚地显示出了剑的构造(图4a和5)。剑身和剑柄是一体的。数字化X射线图像还分别显示了剑身、剑柄、十字护手和柄头的内部轮廓线(图4a和图5b)。柄头的高压射线图像清晰地显示出了剑柄没入柄头的线条。剑身剑柄的连接部分和十字护手相交的分隔处,很明显是分开铸接的,而非一体,这从图4a和5c可以看到。十字护手是后来铸接上的,最后是柄头。

数字化X射线图像(图5d)显示出铁匠在铸造时的方向。从血沟至剑身外延,整个线条角度呈45°。铁剑自身不均匀的线条结构说明其是手工打造的。在其整个成型工艺中,一定经过多个周期的加热和锤击,从而才达到现在这样的最终形态。
 
图 5.根据射线检测得到的图像揭示了铁剑不同部分的制造工艺:(a)柄头和十字护手部分;(b)柄头高压射线图像显示出柄头和剑柄之间的分界线;(c)X射线高分辨率图像结果显示,剑柄剑身和十字护手是分开铸接而非一体的;(d)射线图像显示的方向段,证明其一定存在手工锤击的过程。由图我们可以看到,由血沟至剑身外延,其线条方向呈45°。

我们对整个铁剑的四个关键部分进行了X射线荧光化学分析:这四个部分分别是柄头、剑柄、十字护手和剑身(图6),X射线荧光光谱的结果表明这把剑不存在现代钢铁的化学组成。剑的合金成分可能是古代钢铁,其是通过一种叫做熟铁块吹炼法的工艺制成的。这种古代的制造工艺(用炭火)将氧化铁矿石颗粒还原成海绵铁,其又称为直接还原铁。随后对该海绵铁进行锤击,以去除表面的脆性氧化物或炉渣。这都是铁在固态状态下进行的,也就是说,并不对其进行铸造,因此得到的是一块纯粹的铁。现代钢冶炼技术是基于一种连续铸造工艺,该工艺涉及铸造和轧制。然而,铸铁所要求的环境大约为1600℃(2912°F)。这在公元1500年前,即高炉出现之前,是不可能实现的。
 
图 6.X射线荧光分析仪的采样位置: (a) 柄头 (b) 剑柄 (c) 十字护手 (d) 剑身

在过去两个世纪产出的所有普通碳素钢,除了含有碳以外,都含有锰(0.3?1.0 wt%),而当今制造的剑都不含有锰(除了柄头可能会含有极小浓度),因此足以证明该剑来源的真实性。由XRF得知:剑身(图6d)的化学成分相对均匀,四个采样位置取自剑身,长度均为150 mm(5.91 in.)。因其化学成分的读数是相同的,这里就不再分开叙述。

柄头(图6a)、十字护手(图6c)和剑身的化学成分不同是可以预计到的,因为它们都是分开制造的,并非一个整体。但是其中剑身和剑柄之间化学成分的差异值得我们注意。剑柄是唯一一个含有0.5wt%砷的部分(图7)。这可能是因为剑柄外部包裹的彩色皮革或布料而引起的。而剑身表面的硅、铝、钙、氯、硫、钴和钛沉积物,则可能说明了其地理来源。丰富的硅和钙元素分别代表沙子和黄土,沙子和黄土广泛遍布于西奈半岛北部的沿海地区和内部沙丘。高浓度的矿物质,如氯和镁表明其盐度含量较高。钴和钛是非常稀有的元素,但在西奈半岛是可以找到这两种元素的。
 
图7. X射线荧光分析的采样位置显示其含有砷。
 
讨论和结论

我们使用类型学分析、古代冶金无损技术、数字化X射线成像和X射线荧光分析,对一把发掘于西奈半岛,保存完好的双刃十字军剑进行了研究。结果证明该剑不可能是现代出产的,因此其来源是可信的。柄头中含有的锰,很可能是在后期添加的。需要注意的是该剑的风格和造型是非常罕见的。这同样可以让我们确认该剑是属于十字军东征时期的。我们的结论完全基于数字化X射线成像和X射线荧光分析,分析结果显示该剑的制造工艺和化学成分分别如下:

●该剑的化学成分不属于当代。该成分可能源自古代钢铁,其最初是由锻铁炉工艺制成的。
●剑身表面的硅、铝、钙、氯、硫、钴和钛沉积物,表明了剑的原始出处,也就是发掘到该剑的地点,即西奈半岛北部。
●数字化X射线成像证明剑身和剑柄是相连的,应该是由同一块材料制成的。另外还能看到的是血沟由剑身没入至剑柄,并且保持相同的比例。
●柄头、十字护手和剑身的化学成分不同,这表明它们是分别制造的。
●剑身的形态表明了其是手工制作的,在整个生产过程中并没有使用现代技术。

作者O. Golan, K. Raphael and D. Ashkenazi
原文及参考文献请参阅:《The NDT Technician》第13卷第1期
来源:材料与测试
译者:兔子小光

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